【正文】 ..............................................46...........................................................................................505結(jié)論……………………………………………………………………………………….. 546參考文獻(xiàn)...............................................................................................................................55異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)正在快速發(fā)展之中。在現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展下，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度不斷提高，指令的執(zhí)行速度也達(dá)到了前所未有的高度，使得復(fù)雜算法應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、執(zhí)行成為可能。目前廣泛研究應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)有恒壓頻比控制方式、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。本文對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建立進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。在對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理進(jìn)行闡述時(shí)，給出了矢量變換方法實(shí)現(xiàn)的步驟，并依次說(shuō)明了三相異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型是如何解耦的。詳細(xì)地分析了磁通調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理，并設(shè)計(jì)了磁通調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。關(guān)鍵詞:異步電機(jī)，矢量控制，磁場(chǎng)定向AbstraetAs DC converter and the exchange of the limitations of the advantages of speed and power of puter technology and the constant development of electronic devices, asynchronous motor VVVF technology is rapidly developing. In the modern puter technology39。交流調(diào)速系統(tǒng)雖然早己有多種方案問世，并已獲得一些實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域，但其性能卻始終無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上地能量節(jié)省來(lái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均約可節(jié)能20%，效果很是可觀的。但是，由于交流電機(jī)原理的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣直接通過電流施行靈活的即時(shí)控制。、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機(jī)換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，超過這一數(shù)值時(shí)，因此，特大容量的轉(zhuǎn)動(dòng)，如厚板機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等和極高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等都以采用交流調(diào)速為宜。八十年代初日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的電壓空間矢量法(或稱磁通軌跡法)。這種方法被稱為電壓空間矢量控制，它通過引入頻率補(bǔ)償控制，消除速度控制穩(wěn)態(tài)誤差，基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號(hào)重建相電流，由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來(lái)消除低速時(shí)定子電阻對(duì)調(diào)速性能的影響。這種控制方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)再生過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。針對(duì)上述控制方法的缺點(diǎn)，國(guó)外一些學(xué)者通過對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在應(yīng)用比較廣的矢量控制理論，也稱磁場(chǎng)定向控制。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)陽(yáng)]。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性。此外，它必須直接或間接得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，從而使得在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制，轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于:轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的鏈和轉(zhuǎn)矩?？刂粕蠈?duì)除定子電阻外，其他所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，對(duì)于一些不方便安裝速度傳感器的場(chǎng)合尤其重要，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)、控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)的。在低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及IPM，IGBT和IPM集中了GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性，是目前通用變頻器中應(yīng)用最為廣泛的主流功率器件。可達(dá)150ns。其一是IGBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱5070%的器件發(fā)熱降低到了30%。其三是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜音化。而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，有些甚至把光耦也集成于一體，因此是一種更為經(jīng)濟(jì)適用的集成型功率器件。(2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測(cè)出過電流和短路電流，能對(duì)功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率大大降低。(4)保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)等一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展還得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8XI196MC系列以來(lái)，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。與單片機(jī)相比，DSP器件具有較高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，有的片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和采樣保持電路，可提供PWM輸出，其匯編指令集為仿C語(yǔ)言或代數(shù)語(yǔ)言格式，所有指令都能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個(gè)機(jī)器周期可完成多條指令。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。單片機(jī)采用諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令或數(shù)據(jù)。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比16位的單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快810倍，完成一次乘法運(yùn)算快1630倍?！禕BC》評(píng)論上把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。由于PWM調(diào)制可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率(THD)最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。為求得改善，PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。正因?yàn)槿绱思词乖贗GBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，PWM仍然有其特殊的價(jià)值(DTC控制即為一例)。基于電機(jī)控制理論的通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，其發(fā)展的趨勢(shì)大致為:1主控一體化。2小型化。低電磁噪音化。APFC)電路，改善輸入電流波形，降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。4專用化。其目的是更好發(fā)揮的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。5系統(tǒng)化。最近，日本安川電機(jī)提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為“Damp。C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。當(dāng)前異步電機(jī)調(diào)速總體控制方案中，V/F控制方式是最早實(shí)現(xiàn)的調(diào)速方式。但是，由于其屬于速度開環(huán)控制方式，調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不是十分理想。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，%的精度，所以采用這種V/F控制的通用變頻器異步電機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于求不高的場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械，若要開發(fā)高性能專用變頻控制系統(tǒng)，此方式不能滿足系統(tǒng)要求。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，矢量控制系統(tǒng)可以分度反饋的控制系統(tǒng)和不帶速度反饋的控制系統(tǒng)。%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(l)可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，因此調(diào)速范圍很寬廣； (2)可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行較為精確控制；(3)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快；(4)電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好。況且，在某些情況下，由于電動(dòng)機(jī)本身或環(huán)境的因素?zé)o法安裝速度傳感器。因此，對(duì)于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的條件場(chǎng)合，往往采用無(wú)速度傳感器矢量變頻開環(huán)控制異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對(duì)象，通過控制定子磁場(chǎng)向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。單從原理上分析，直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制沒有太大的區(qū)別。而直接轉(zhuǎn)矩控制方式根據(jù)原理公式，由電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的關(guān)系，通過控制定子磁場(chǎng)，控制轉(zhuǎn)矩輸出，其測(cè)量量為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的性能主要與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有關(guān)，所以其控制方式比較直接，定子磁場(chǎng)的觀測(cè)類似于矢量控制中的定子磁鏈的觀測(cè)方法，因此其低速時(shí)由于定子電阻的影響，性能不高，與直接電流閉環(huán)的矢量控制方式相似。這兩種控制方式同樣與電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)是否精確有關(guān)，矢量控制方式中，磁鏈角和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)控制性能的影響比較大，而直接轉(zhuǎn)矩控制方式主要是定子電阻的辨識(shí)，因?yàn)槎ㄗ与娮柚苯佑绊懥硕ㄗ哟沛湹挠^測(cè)，從而直接影響了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制精度。直接轉(zhuǎn)矩控制是上世紀(jì)80年代在德國(guó)才興起控制技術(shù)，其應(yīng)用還不是很成熟。綜合比較以上幾種典型控制方式以及考慮到實(shí)際因素，本論文選擇有傳感器的轉(zhuǎn)閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在以后的工作中，再逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的矢量變換的調(diào)速系統(tǒng)以其他面向不同工礦條件下的控制方案。在電機(jī)控制中，對(duì)于精度或者動(dòng)態(tài)應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，可以使用六階階梯波調(diào)制方法控制，這種方法將電機(jī)磁空間分為個(gè)區(qū)域，通過不斷的變換功率管的導(dǎo)通次序，產(chǎn)生在空間的階躍形的磁場(chǎng)。它根據(jù)電網(wǎng)正弦電壓的要求產(chǎn)生正弦的轉(zhuǎn)磁通，從而使控制性能大大提高。而對(duì)數(shù)字電路說(shuō)，則可以根據(jù)微處理器性能的差異選擇不同的波形產(chǎn)生方法。一般來(lái)說(shuō)有自然采樣和規(guī)則采樣，派生出來(lái)了對(duì)稱和不對(duì)稱規(guī)則采樣等，在基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外一些研究人員也提出了在算法上的改進(jìn)。隨著數(shù)字交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制方式己經(jīng)逐漸被現(xiàn)在起的SVPWM(Space Vector Pulse width modulation)調(diào)制方式所取代，SVPWM調(diào)制式將電壓矢量作為一個(gè)控制對(duì)象，在控制電壓幅值大小的同時(shí)，控制電壓向量的方向?qū)Σ煌瑺顟B(tài)電壓向量的綜合，達(dá)到輸出所需電壓向量的目的。異步電機(jī)矢量控制是基于磁場(chǎng)定向的方法，其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜，要確定最佳的控制方案，必須對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)特性進(jìn)行充分的研究。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理:交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其夾角有關(guān)，要控制好轉(zhuǎn)矩，必須精確檢測(cè)和控制磁通，在此種控制方式中，檢測(cè)出定子電流的d軸分量，就可以觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電流的q軸分量成正比，忽略反電動(dòng)勢(shì)引起的交叉藕合可以由電壓方程d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩，目前大多數(shù)變頻系統(tǒng)是使用此種控制方法的，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解禍，但是其最大的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁通的觀測(cè)受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響。因此，此方法主要考慮轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)態(tài)方程式，從轉(zhuǎn)子磁通直接得到定子電流d軸分量，通過對(duì)定子電流的有效控制，形成了轉(zhuǎn)差矢量控制，避免了磁通的閉環(huán)控制，不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子的磁鏈，用轉(zhuǎn)差率和量測(cè)的轉(zhuǎn)速相加后積分來(lái)計(jì)算磁通相對(duì)于定子的位置，但此種方法主要應(yīng)用在低速系統(tǒng)中，而且系統(tǒng)性能同樣受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響。定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理:由于轉(zhuǎn)子磁通的檢測(cè)容易受電機(jī)參數(shù)影響，氣隙磁通的檢測(cè)需要附加一些額外的檢測(cè)器件等弊端，國(guó)內(nèi)外興起了定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，此種方法是通過保持定子磁通不變，控制與轉(zhuǎn)矩成正比的q軸電流，從而控制異步電機(jī)矢量控制研究電機(jī)，但是，此種方法和氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制一樣，需要對(duì)電流進(jìn)行解禍，而且定子電壓作為測(cè)量量，容易受到電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。對(duì)于此方案的最大缺點(diǎn):轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)估測(cè)受電機(jī)參數(shù)影響較大，要在電機(jī)控制方案上給予補(bǔ)償。全文共分為五章:第一章為緒論，介紹了課題的意義、變頻器的發(fā)展方向以及與本論文相關(guān)技術(shù)的展動(dòng)態(tài)。第三章為矢量控制系統(tǒng)原理，介紹控制系統(tǒng)方案選擇，通過對(duì)各種不同的電機(jī)控方案，選擇合適的滿足本系統(tǒng)性能要求的控制方案。第四章為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真及其結(jié)果分析，得出電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線、電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令仿真曲線和電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出等各種仿真曲線。2建立矢量控制數(shù)學(xué)模型眾所周知，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由于非線性參量的存在而異常復(fù)雜，對(duì)交流電機(jī)模型進(jìn)行分析，需要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。還有兩相靜態(tài)坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)各個(gè)參量以靜態(tài)參量處理，除此外，根據(jù)不同控制要求，將靜態(tài)坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸置于某一特定運(yùn)動(dòng)參量上，則可以得到跟隨其變化的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。異步電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)定子三相繞組A，B，C在空間固定，轉(zhuǎn)子繞組a，b，c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 圖 三相坐標(biāo)系A(chǔ)BC在空間固定，定子繞組建立在此坐標(biāo)系上。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的a軸與固定坐標(biāo)系A(chǔ)軸之間的夾角為。根據(jù)電路學(xué)原理，可以推導(dǎo)出在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。在上面的定轉(zhuǎn)子電壓方程中含有磁鏈分量，其表示的是各繞組本身的自感磁鏈與其他繞組的互感磁鏈之和。又由于轉(zhuǎn)子繞組歸算到了定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)與定子繞組相同，則轉(zhuǎn)子繞組兩相之間的互感與定子繞組兩相之間的互感相等。同時(shí)，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程表達(dá)式 (217)式中為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。K為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，D為0，K為0，因此，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以簡(jiǎn)化為下面的形式 (218)在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，轉(zhuǎn)速方程= （219）以上的電壓公式，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程和轉(zhuǎn)速方程便構(gòu)成了三相異步電機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。因此有必要對(duì)上述電機(jī)數(shù)學(xué)模型在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上加以簡(jiǎn)化，以達(dá)到系統(tǒng)解耦的目的，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)高性能控制。(3/2變換)。而，則表示電機(jī)參量分解的靜止兩相坐標(biāo)系。因此有式(220)和式(221)。從三相坐標(biāo)